Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Shell and Tube Dengan Satu Cangkang (Shell) dan Dua Laluan

3

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor
Alat

penukar kalor adalah alat

yang

memungkinkan terjadinya

perpindahan panas diantara dua fluida yang memiliki temperatur yang berbeda
tanpa mencampurkan kedua fluida tersebut. Alat penukar kalor biasanya
digunakan secara praktis didalam aplikasi yang luas, seperti dalam kasus
pemanasan dan sistem pengkondisian udara, proses-proses kimia dan proses
pembangkitan tenaga. Alat penukar kalor berbeda dengan ruangan pencampuran
yakni alat penukar kalor tidak memperbolehkan kedua fluida bercampur. Sebagai
contoh, pada radiator mobil, panas dipindahkan dari air panas yang mengalir

melalui pipa yang terdapat pada radiator yang ditambahkan plat pada jarak yang
kecil dengan melewatkan udara diantaranya.
Perpindahan panas pada alat penukar kalor biasanya terdiri dari konveksi
di setiap fluida dan konduksi pada dinding yang memisahkan kedua fluida. Pada
saat menganalisa alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggunakan
koefisien perpindahan panas menyeluruh U yang memungkinkan untuk
menghitung seluruh efek dari perpindahan panas. Laju perpindahan panas diantara
kedua fluida terletak pada alat penukar kalor yang bergantung pada perbedaan
temperatur pada suatu titik, yang bervariasi sepanjang alat penukar kalor. Pada
saat menganalisis alat penukar kalor, biasanya bekerja dengan menggunakan
logarithmic mean temperature difference LMTD, yang sebanding dengan
perbedaan temperatur rata-rata diantara kedua fluida sepanjang alat penukar kalor.
Ketika dua temperatur tidak diketahui dan dapat menganalisisnya dengan metode
keefektifan-NTU.

2.2 Jenis Alat Penukar Kalor
Secara umum, alat penukar kalor dapat dibagi berdasarkan fungsinya
yakni :
a. Chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida
sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan di

Universitas Sumatera Utara

4

dalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendigninan
yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin
biasanyan digunakan amoniak atau Freon.

Gambar 2.1 Chiller [7]
b. Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau
campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang
dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan
panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap
yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan
dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat.

Gambar 2.2 Kondensor [7]
c. Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas
dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi

perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin

Universitas Sumatera Utara

5

coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan
(kipas)

Gambar 2.3 Cooler [9]

d. Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi
uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari
fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat
yang digunakan adalah air atau refrigerant cair.

Gambar 2.4. Evaporator [8]

e. Reboiler, alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta
menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang

sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri.
Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.2, diperlihatkan

Universitas Sumatera Utara

6

sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 °F) sebagai media
penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube.

Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler [4]

f. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas
suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu:
•

Memanaskan fluida

•

Mendinginkan fluida yang panas

Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan
kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana
fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang
mengalir dalam shell.

Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger [6]

Universitas Sumatera Utara

7

2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas
a. Tipe kontak tidak langsung
• Tipe dari satu fase
• Tipe dari banyak fase
• Tipe yang ditimbun (storage type)

• Tipe fluidized bed
b. Tipe kontak langsung
• Immiscible fluids
• Gas liquid
• Liquid vapor
2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir
a. Dua jenis fluida
b. Tiga jenis fluida
c. N – Jenis fluida (N lebih dari tiga)
3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan
a. Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan > 700 m
b. Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan < 700 m
4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas
a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya
b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya
terdapat cara konveksi 2 aliran
c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass
aliran masingmasing
d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi
5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi

a. Konstruksi tubular (shell and tube)
• Tube ganda (double tube)
• Konstruksi shell and tube, Sekat plat (plate baffle), Sekat batang (rod
baffle)

Universitas Sumatera Utara

8

• Konstruksi tube spiral
b. Konstruksi tipe pelat
• Tipe pelat
• Tipe lamella
• Tipe spiral
• Tipe pelat koil
c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)
• Sirip pelat (plate fin)
• Sirip tube (tube fin)
• Heat pipe wall
• Ordinary separating wall

d. Regenerative
• Tipe rotary
• Tipe disk (piringan)
• Tipe drum
• Tipe matrik tetap
6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran
a. Aliran dengan satu pass
• Aliran Berlawanan
• Aliran Paralel
• Aliran Melintang
• Aliran Split
• Aliran yang dibagi (divided)
b. Aliran multipass
a. Permukaan yang diperbesar (extended surface)
• Aliran counter menyilang
• Aliran paralel menyilang
• Aliran compound
b. Multipass plat

Universitas Sumatera Utara

9

2.3.1 Standarisasi Tabung Alat Penukar Kalor
Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminologi yang
telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang
dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tubular
Exchanger Manufacture’s Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan
untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat,
karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi.
Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger,
yaitu :
1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat,
misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.
2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi
ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri.
Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum
digunakan dalam dunia industri :
2.3.2 Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)
Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang

ditunjukkan pada gambar 2.3 di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada
gambar 2.3 mengalir dari titik A ke titik B, dengan space berbentuk U yang
mengalir di dalam pipa. Cairan yang mengalir dapat berupa aliran cocurrent atau
countercurrent. Alat pemanas ini dapat dibuat dari pipa yang panjang dan
dihubungkan satu sama lain hingga membentuk U. Double pipe heat exchanger
merupakan alat yang cocok dikondisikan untuk aliran dengan laju aliran yang
kecil,berikut gambar dari aliran ganda pipa berlawanan.

Gambar 2.7 Aliran double pipe heat exchanger [4]

Universitas Sumatera Utara

10

Gambar 2.8 Hairpin heat exchanger [4]

Exchanger ini menyediakan true counter current flow dan cocok untuk extreme
temperature crossing, tekanan tinggi dan rendah untuk kebutuhan surface area
yang moderat (range surface area: 1 – 6000 ft2). Hairpin heat exchanger tersedia
dalam :

-

Single tube (double pipe) atau berbagai tabung dalam suatu hairpin shell
(multitube),

-

Bare tubes, finned tube, U-Tubes,

-

Straight tubes,

-

Fixed tube sheets

Double pipe heat exchanger sangatlah berguna karena ini bisa digunakan dan
dipasang pada pipe-fitting dari bagian standar dan menghasilkan luas permukaan
panas yang besar. Ukuran standar dari tees dan return head diberikan pada tabel
berikut :
Tabel 2.1 : Double Pipe Exchanger fittings
Outer Pipe, IPS

Inner Pipe, IPS

3

1¼

2½

1¼

3

2

4

3

Universitas Sumatera Utara

11

Double pipe exchangers biasanya dipasang dalam 12-, 15- atau 20-ft Panjang
efektif, panjang efektif dapat membuat jarak dalam each leg over di mana terjadi
perpindahan panas dan mengeluarkan inner pipe yang menonjol melewati the
exchanger section.
Susunan dari concentric tube ditunjukan pada gambar di bawah ini. Aliran
dalam type heat exchanger dapat bersifat cocurrent atau counter current dimana
aliran fluida panas ada pada inner pipe dan fluida dingin pada annulus pipe.

Gambar 2.9 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current [18]

Pada susunan cocurrent maka fluida di dalam tube sebelah dalam (inner tubes)
maupun yang di luar tube (dalam annulus), artinya satu lintasan tanpa cabang.
Sedangkan pada aliran counter current, di dalam tube sebelah dalam dan fluida di
dalam annulus masing-masing mempunyai cabang seperti terlihat pada gambar 4
dan gambar 5.

Gambar 2.10 Double-pipe heat exchangers in series[4]

Universitas Sumatera Utara

12

Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series–parallel[4]

Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger:
a) Keuntungan
1. Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu
heat exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low
heat transfer coefficient.
2. Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface
area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature
cross.
3. Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam
kaitan dengan konstruksi pipa-U.
4. Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan.
b) Kerugian
1. Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal
tidak dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME
code.
2. Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing
dengan single shell dan tube heat exchanger.
3. Desain penutup memerlukan gasket khusus.

Universitas Sumatera Utara

13

2.3.3 Shell And Tube Heat Exchanger
Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan
relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu
annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang
optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi
perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular
pitch (Pola segitiga) dan square pitch (Pola segiempat).

Gambar 2.12 Bentuk susunan tabung [4]

Keuntungan square pitch adalah bagian dalam tube-nya mudah dibersihkan dan
pressure drop-nya rendah ketika mengalir di dalamnya (fluida)

Gambar 2.13 shell and tube heat exchanger [4]

Keuntungan dari shell and tube:
1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar
dengan bentuk atau volume yang kecil.
2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk
operasi bertekanan.

Universitas Sumatera Utara

14

3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished).
4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis
material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi.
5. Mudah membersihkannya.
6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished).
7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui
oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).
9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu
kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang
Kerugian penggunaan shell and tube heat exchanger adalah semakin besar jumlah
lewatan maka semakin banyak panas yang diserap tetapi semakin sulit
perawatannya

2.3.4 Plate Type Heat Exchanger
Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless
steel atau tembaga. Plate dibuat dengan design khusus dimana tekstur permukaan
plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua
plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti berlapislapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran
alir untuk fluida. seperti gambar dibawah

Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent [5]
2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas
2.4.1 Konduksi
Sebuah batang silinder dengan material tertentu diisolasi pada sisi
terluarnya dan pada kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda

Universitas Sumatera Utara

15

yakni T 1 > T 2 . Perbedaan temperatur tersebut menyebabkan perpindahan panas
secara konduksi pada arah x positif.Dan dapat mengukur laju perpindahan panas
q x , dan dapat menentukan q x bergantung pada variabel-variabel berikut : ΔT,
yakni perbedaan temperatur ; Δx, yakni panjang batang ; dan A, yakni luas
penampang tegak lurus bidang.
Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka q x
berbanding lurus dengan A. Jika ΔT dan A adalah konstan, maka q x berbanding
terbalik dengan Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka q x berbanding lurus dengan
ΔT.
qx ∞ A

(2.1)

Berikut ini adalah gambar perpindahan panas secara konduksi.

A,T1

ΔT=T1-T2

T2

qx

Δx

Gambar 2.15 Perpindahan Panas secara Konduksi [1]
Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, akan
menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, diteemukan
bahwa untuk nilai A, Δx, dan ΔT yang sama, akan menghasilkan nilai q x yang
lebih kecil untuk plastik daripada bermaterial logam. Sehingga kesebandingan
diatas dapat ditulis dalam bentuk persamaan dengan memasukkan koefisien yang
dipengaruhi oleh material. Sehingga diperoleh,
q x = kA

(2.2)

k, adalah konduktivitas thermal (W/m.K), yang adalah merupakan sifat material
yang penting. Dengan menggunakan limit Δx

0 didapatkan persamaan untuk

laju perpindahan panas,
q x = -kA

(2.3)

Universitas Sumatera Utara

16

atau persamaan flux panas menjadi,
q” x =

= -k

(2.4)

2.4.2 Konveksi
Mekanisme perpindahan panas dapat berupa konduksi, konveksi, dan
radiasi. Konduksi dan konveksi adalah membutuhkan media perantara dalam
proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, pada konveksi
membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas.
Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung
pada sifat-sifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas termal k, massa
jenis ρ, dan spesifik panas C p , dan dipengaruhi oleh kecepatan fluida Ѵ. Konveksi
juga bergantung pada bentuk dan kekasaran permukaan, dan bahkan juga
dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen.

Gambar 2.16 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa [18]

Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan
panas secara konveksi berbanding lururs dengan perbedaan temperatur dan dapat
ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan.
Q konveksi = hA s (T s - T ∞ )

(2.5)

h merupakan koefisien perpindahan panas konduksi, A s merupakan area
permukaan perpindahan panas, T s merupakan temperatur permukaan benda, T ∞
merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.

Universitas Sumatera Utara

17

2.4.3. Radiasi
Radiasi berbeda dengan mekanisme perpindahan panas secara konduksi
dan secara konveksi. Perpindahan panas secara radiasi tidak membutuhkan
kehadiran suatu material sebagai media perpindahan panas. Faktanya, energi yang
ditransfer dengan radiasi adalah yang tercepat (secepat kecepatan cahaya) dan
dapat terjadi pada ruangan vakum. Perpindahan panas secara konduksi dan
konveksi terjadi dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang lebih rendah.
Pada radiasi, perpindahan panas dapat terjadi pada 2 benda yang memiliki
temperatur yang tinggi dan dipisahkan oleh benda yang memiliki temperatur yang
lebih rendah.
Dengan menganggap permukaan benda yang kecil A s , emisifitas ε, dan
kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan
yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody. Blackbody dapat
didefenisikan sebagai pemancar dan penyerap radiasi yang sempurna. Pada
temperatur dan panjang gelombang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat
memancarkan energi yang lebih banyak daripada blackbody. Blackbody menyerap
semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya. Diffuse
dapat diartikan sebagai arah yang bebas untuk berdiri sendiri. Hal ini dapat dilihat
pada gambar berikut.

Gambar 2.17 : Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas [18]
Energi radisi yang dipancarkan oleh sebuah blackbody tiap satuan waktu
dan tiap satuan luasan area ditetapkan secara eksperimental oleh Joseph Stefan
pada tahun 1879 dan dapat dituliskan
E b (T) = σT 4

(w/m2)

(2.6)

Universitas Sumatera Utara

18

σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4 adalah konstanta Stefan-Boltzmann dan T adalah
temperatur absolut dari suatu permukaan (K). Persamaan ini diverifikasi secara
teori pada tahun 1884 oleh Ludwig Boltzman. E b merupakan kekuatan emisifitas
blackbody.
2.5 Internal Flow (Aliran Dalam)
2.5.1 Aliran Di Dalam Pipa
Cairan atau gas yang melewati pipa atau duct biasanya digunakan dalam
proses pemanasan ataupun pendinginan. Fluida yang digunakan dalam banyak
aplikasi tersebut dipaksa untuk mengalir dengan menggunakan kipas ataupun
pompa melalui sebuah pipa yang panjang yang diharapkan terjadi perpindahan
panas. Pada aliran dalam dibatasi oleh luas permukaan bagian dalam pipa, dan
terdapat batasan seberapa besar lapisan batas dapat berkembang. Aliran dalam
adalah bukan aliran yang bebas sehingga dibutuhkan suatu alternatif. Kecepatan
fluida didalam pipa berubah dari nol pada permukaan karena tidak ada slip yang
terjadi, sampai kecepatan maksimum pada pusat pipa. Disisi lain, sangat nyaman
untuk menghitung dengan menggunakan kecepatan rata-rata u dengan asumsi
bahwa aliran adalah inkompresibel pada saat luas permukaan pipa konstan.
Kecepatan rata-rata aktual pada saat kondisi pemanasan dan pendinginan
dapat berubah karena perubahan massa jenis dengan temperatur. Secara praktis
dihitung sifat-sifat fluida pada temperatur rata-rata dan menganggapnya konstan.
Persamaan untuk menghitung kecepatan rata-rata berasal dari hukum kekekalan
massa, yakni
ṁ = ρuAc =

(2.7)

ṁ adalah laju aliran massa, ρ adalah rapat massa, A c adalah luas permukaan, dan
u(r,x) adalah profil kecepatan. Sehingga kecepatan rata-rata untuk aliran
inkompresibel pada sebuah pipa dengan radius R adalah
u=

=

=

(2.8)

Aliran didalam pipa dapat berupa aliran laminar ataupun turbulen,
bergantung pada kondisi aliran. Aliran fluida digambarkan dengan menggunakan
garis arus dan pada kecepatan yang rendah terjadi aliran laminar, tetapi berubah
menjadi aliran turbulen ketika kecepatannya meningkat melalui nilai kritis.

Universitas Sumatera Utara

19

Transisi dari aliran laminar ke aliran turbulen tidak terjadi dalam waktu yang
singkat, namun itu terjadi melalui rentang kecepatan yang fluktuatif diantara
laminar dan turbulen sebelum aliran tersebut menjadi aliran yang turbulen.
Kebanyakan aliran yang masuk kedalam pipa adalah turbulen. Aliran laminar
terjadi ketika fluida yang mengalir memiliki viskositas yang tinggi seperti minyak
yang mengalir didalam pipa yang memiliki diameter yang kecil, ataupun pada
jarak yang dekat. Untuk aliran didalam pipa yang memiliki penampang lingkaran,
bilangan Reynold didefenisikan sebagai
=

Re =

(2.9)

u adalah kecepatan rata-rata fluida, D adalah diameter pipa, dan v adalah
viskositas kinematik fluida.
Untuk aliran yang mengalir pada pipa yang tidak memiliki penampang lingkaran,
bilangan Reynold bergantung pada diameter hidraulik D h yang didefenisikan
sebagai
Dh =

(2.10)

p adalah keliling penampang pipa. Dengan menghitung bilangan Reynold, dapat
ditentukan jenis aliran yang terjadi
Re < 2300
2300 ≤ Re ≤ 10000
Re > 10000

aliran laminar
aliran transisi
aliran turbulen

Ketika perbedaan temperatur antara permukaan pipa dengan fluida kerja
besar, sangat penting untuk menghitung variasi kekentalan dengan temperatur.
Bilangan Nusselt rata-rata untuk aliran laminar yang berkembang pada sebuah
pipa berpenampang lingkaran dapat ditentukan dengan persamaan Sieder dan Tate
(1936) yakni
Nu = 1,86

(2.11)

Semua sifat fluida dihitung pada temperatur rata-rata fluida, kecuali μ s dihitung
pada temperatur permukaan pipa.

Universitas Sumatera Utara

20

Untuk aliran turbulen berkembang penuh didalam pipa yang halus, sebuah
persamaan sederhana untuk menghitung bilangan Nusselt dapat diperoleh yakni
Nu = 0,023 Re0,8 Pr1/3

(2.12)

dengan syarat bahwa : 0,7 ≤ Pr ≤ 160
Re > 10000
Persamaan diatas disebut Persamaan Colburn. Keakurasian persamaan diatas
dapat ditingkatkan dengan memodifikasinya menjadi
Nu = 0,023 Re0,8 Pr n

(2.13)

Untuk proses pemanasan digunakan n = 0,4 dan untuk proses pendinginan
digunakan n = 0,3. Persamaan ini disebut Persamaan Dittus-Boelter (1930) dan
persamaan ini lebih baik daripada persamaan Colburn.
2.5.2 Aliran Di Dalam Annulus Pipa
Beberapa peralatan pemindah panas terdiri dari dua pipa sepusat, yang
biasanya disebut alat penukar kalor pipa ganda. Pada alat tersebut, salah satu
fluida mengalir didalam pipa sedangkan fluida yang lainnya mengalir didalam
ruang annulus. Persamaan pembentuk untuk kedua aliran adalah identik.

Gambar 2.18 Alat penukar kalor pipa [18]
Dengan menganggap diameter dalam D i dan diameter luar D o , diameter
hidraulik annulus adalah
Dh =

=

= Do - Di

(2.14)

Pada alat penukar kalor tabung sepusat ini terdapat dua bilangan Nusselt,
yakni pada permukaan dalam pipa Nu i dan pada permukaan dalam pipa Nu o .
Bilangan Nusselt untuk aliran laminar yang berkembang penuh dengan

Universitas Sumatera Utara

21

permukaan yang temperaturnya konstan dan permukaan luarnya diisolasi, dapat
dilihat pada tabel berikut :

Tabel 2.2 : Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam
annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan
lainnya adiabatic

D i /D o

Nu i

Nu o

0

-

3,66

0,05

17,46

4,06

0,10

11,56

4,11

0,25

7,37

4,23

0,50

5,74

4,43

1,00

4,86

4,86

Jika bilangan Nusselt diketahui, koefisien perpindahan panas untuk permukaan
pipa bagian dalam dan bagian luar dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan
Nu i =

(2.15)

Nu o =

(2.16)

2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Sebuah alat penukar kalor terdiri dari 2 fluida yang mengalir yang
dipisahkan oleh sebuah dinding yang solid. Pertama sekali panas dipindahkan dari
fluida panas ke dinding melalui konveksi, kemudian melewati dinding melalui
konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin lagi melalui konveksi. Jaringan
tahanan panas dihubungkan dengan proses perpindahan panas ini yang terdiri dari
dua tahanan panas konveksi dan satu tahanan panas konduksi yang mengalir

Universitas Sumatera Utara

22

didalam dinding solid pseperti pada gambar,dimana dindin yang solid ini akan di
aliri fluida dan mengakitbatkan perpindahan panas dari fluida ke dinding-dinding
solid tersebut, dapat di lihat pada gambar berikut.

Gambar 2.19 Jaringan tahanan panas yang dihubungkan dengan alat penukar
kalor tabung sepusat [18]
2.7 Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan Log Mean
Temperature Difference (LMTD)
Dalam merancang ataupun memprediksi performansi alat penukar kalor,
sangatlah perlu untuk menghubungkan antara laju perpindahan panas total
terhadap temperatur fluida yang masuk dan keluar, koefisien perpindahan panas
menyeluruh, dan luas permukaan total untuk laju perpindahan panas. Persamaan
perpindahan panas antara fluida panas dan fluida dingin adalah setimbang. Jika Q
adalah laju perpindahan panas antara fluida panas dengan fluida dingin dan
dengan mengabaikan perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar kalor
dengan lingkungan, mengabaikan perubahan energi potensial dan energi kinetik,
dan dengan mengaplikasikan persamaan energi steady, diperoleh persamaan yang
ada didalam perhitungan,dimana berikut gambar dari kesetimbangan energy total
untuk fluda pansa dan fluida dingin pada sebuah alat penukar kalor.

Universitas Sumatera Utara

23

Gambar 2.20 : Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida dingin
pada sebuah alat penukar kalor[18]
q = ṁ c (i c,o – i c,i ) = ṁ h (i h,i – i h,o )

(2.17)

i adalah entalpi fluida. Subscript h dan c adalah menandakan fluida hot (panas)
dan fluida cold (dingin), sedangkan subscript i dan o adalah kondisi inlet (masuk)
dan outlet (keluar) fluida. Jika fluida tidak mengalami perubahan fasa dan
diasumsikan pada kondisi panas jenis yang konstan, maka persamaan menjadi
Q = ṁ h c p,h (T h,i – T h,o ) = ṁ c c p,c (T c,o – T c,i )

(2.18)

Jika T h dan T c adalah suhu kedua fluida yang berada di elemen dA dari
permukaan alat penukar kalor. Maka laju perpindahan panas yang terjadi diantara
kedua fluida melaui elemen dA dapat dituliskan sebagai berikut
dQ = U dA (T h – T c )

(2.19)

2.8 Katup
Valve (Katup) adalah sebuah perangkat yang mengatur, mengarahkan atau
mengontrol aliran dari suatu cairan (gas, cairan, padatan terfluidisasi) dengan
membuka, menutup, atau menutup sebagian dari jalan alirannya.
Valve (katup) dalam kehidupan sehari-hari, paling nyata adalah pada pipa air,
seperti keran untuk air. Contoh akrab lainnya termasuk katup kontrol gas di
kompor, katup kecil yang dipasang di kamar mandi dan masih banyak lagi.
Katup memainkan peran penting dalam aplikasi industri mulai dari transportasi air
minum juga untuk mengontrol pengapian di mesin roket.
Valve (Katup) dapat dioperasikan secara manual, baik oleh pegangan , tuas pedal
dan lain-lain. Selain dapat dioperasikan secara manual katup juga dapat
dioperasikan secara otomatis dengan menggunakan prinsip perubahan aliran
tekanan, suhu dll. Perubahan2 ini dapat mempengaruhi diafragma, pegas atau
piston yang pada gilirannya mengaktifkan katup secara otomatis.

Universitas Sumatera Utara

24

Macam – macam Valve (katup) yang sering digunakan adalah sebagai berikut :
2.8.1. Gate Valve

Gambar 2.21 Gate Valve[6]
Gate valve adalah jenis katup yang digunakan untuk membuka aliran dengan cara
mengangkat gerbang penutup nya yang berbentuk bulat atau persegi panjang.
Gate Valve adalah jenis valve yang paling sering dipakai dalam sistem perpipaan.
Yang fungsinya untuk membuka dan menutup aliran.
Gate valve tidak untuk mengatur besar kecil laju suatu aliran fluida dengan cara
membuka setengah atau seperempat posisinya, Jadi posisi gate pada valve ini
harus benar benar terbuka (fully open) atau benar-benar tertutup (fully close). Jika
posisi gate setengah terbuka maka akan terjadi turbulensi pada aliran tersebut dan
turbulensi ini akan menyebabkan :
a)

Akan terjadi pengikisan sudut-sudut gate.

laju aliran fluida yg turbulensi ini dapat mengikis sudut-sudut gate yang dapat
menyebabkan erosi dan pada akhirnya valve tidak dapat bekerja secara sempurna.
b)

Terjadi perubahan pada posisi dudukan gerbang penutupnya.

Gerbang penutup akan terjadi pengayunan terhadap posisi dudukan (seat),
sehingga lama kelamaan posisi nya akan berubah terhadap dudukan (seat)
sehingga apabila valve menutup maka gerbang penutupnya tidak akan berada
pada posisi yang tepat, sehingga bisa menyebabkan passing.

Universitas Sumatera Utara

25

Ada 3 jenis gate valve:
1. Rising Stem Gate Valve;
jika dioperasikan handwheel naik dan stem juga naik

Gambar 2.22 Rising Stem Gate valve[6]
2. Non Rising Stem Gate Valve
jika di opersikan handwheel tetap dan stem juga tetap.

Gambar 2.23 Non rising Stem Gate Valve[6]

Universitas Sumatera Utara

26

3. Outside Screw & Yoke Gate Valve
jika di operasikan handwheel tetap tapi stemnya naik.
Rising Stem & Non Rising Stem digunakan untuk tekanan yang tidak terlalu
tinggi, dan tidak cocok untuk getaran. Outside Screw & Yoke Gate Valve amat
cocok digunakan untuk high pressure. Biasanya OS & Y banyak di gunakan di
lapangan minyak, medan yang tinggi, temperature tinggi. Karena pada OS & Y
stem naik atau turun bisa dijadikan sebagai penanda. Contoh, apabila stem tinggi
itu menandakan posisi valve sedang buka penuh. Pada dasarnya body & bonet
pada gate terbuat dari bahan yang sama.

Keuntungan menggunakan Gate Valve :
1. Low pressure drop waktu buka penuh
2. Amat ketat dan cukup bagus waktu penutupan penuh
3. Bebas kontaminasi
4. Sebagai Gerbang penutupan penuh, sehingga tidak ada tekanan lagi.
Cocok apabila akan melakukan service / perbaikan pada pipa
Kerugian menggunakan Gate Valve :
1. Tidak cocok di pakai untuk separuh buka, karena akan menimbulkan
turbulensi sehingga bisa mengakibatkan erosi dan perubahan posisi gate
pada dudukan
2. Untuk membuka dan menutup valve perlu waktu yang panjang dan
memerlukan torsi / torque yang tinggi;
3. Untuk ukuran 10 “ keatas tidak cocok dipakai untuk steam.
2.8.2. Globe Valve
Globe Valve adalah jenis Valve yang digunakan untuk mengatur laju aliran fluida
dalam pipa,berikut gambar dari glove valve.

Universitas Sumatera Utara

27

Gambar 2.24 Glove Valve[6]
Prinsip dasar dari operasi Globe Valve adalah gerakan tegak lurus disk dari
dudukannya. Hal ini memastikan bahwa ruang berbentuk cincin antara disk dan
cincin kursi bertahap sedekat Valve ditutup.
Ada tiga jenis desain utama bentuk tubuh Globe Valve, yaitu: Z-body, Y-body
dan Angle- body :
•

Z-Body desain adalah tipe yang paling umum yang sering dipakai, dengan
diafragma berbentuk Z. Posisi dudukan disk horizontal dan pergerakan
batang disk tegak lurus terhadap sumbu pipa atau dudukan disk.
Bentuknya yang simetris memudahkan dalam pembuatan, instalasi
maupun perbaikannya.

•

Y-Body desain adalah sebuah alternatif untuk high pressure drop. Posisi
dudukan disk dan batang (stem) ber sudut 45˚ dari arah aliran fluidanya.
Jenis ini sangat cocok untuk tekanan tinggi

•

Angle-Body desain adalah modifikasi dasar dari Z-Valve. Jenis ini
digunakan untuk mentransfer aliran dari vertikal ke horizontal.

Universitas Sumatera Utara

28

Gambar 2.25Angle Glove,Y-Body,Z-Body Globe valve[9]
Macam-macam bentuk Disc/plug dari Globe Valve :
a. Type Plug Disk
b. Tipe Regulating disk
c. Tipe flat disk
d. Tipe soft seat disk
e. Tipe guide disk
Keuntungan menggunakan Globe valve adalah :
•

Kemampuan dalam menutup baik.

•

kemampuan throttling (mengatur laju aliran) Cukup baik.

Kelemahan utama penggunaan Globe Valve adalah:
•

Penurunan tekanan lebih tinggi dibandingkan dengan Gate Valve

•

Valve ukuran besar membutuhkan daya yang cukup atau aktuator yang
lebih besar untuk beroperasi

Universitas Sumatera Utara

29

2.8.3 Ball Valve
Ball Valve adalah sebuah Valve atau katup dengan pengontrol
aliran berbentuk disc bulat (seperti bola/belahan). Bola itu memiliki lubang, yang
berada di tengah sehingga ketika lubang tersebut segaris lurus atau sejalan dengan
kedua ujung Valve / katup, maka aliran akan terjadi.
Tetapi ketika katup tertutup, posisi lubang berada tegak lurus terhadap ujung
katup, maka aliran akan terhalang atau tertutup.

Gambar 2.26 Ball Valve[6]
Ball valve banyak digunakan karena kemudahannya dalam perbaikan dan
kemampuan untuk menahan tekanan dan suhu tinggi. Tergantung dari material
apa mereka terbuat, Bal Valve dapat menahan tekanan hingga 10.000 Psi dan
dengan temperature sekitar 200 derajat Celcius.
Ball Valve digunakan secara luas dalam aplikasi industri karena mereka sangat
serbaguna, dapat menahan tekanan hingga 1000 barr dan suhu hingga 482 ° F
(250 ° C). Ukurannya biasanya berkisar 0,2-11,81 inci (0,5 cm sampai 30 cm).
Ball Valve dapat terbuat dari logam , plastik atau pun dari bahan keramik.
Bolanya sering dilapisi chrome untuk membuatnya lebih tahan lama.
Ada 2 tipe Ball Valve yaitu :
a.Full bore ball valve

Universitas Sumatera Utara

30

Gambar 2.27 Full Bore Ball Valve[9]
Full bore ball valve adalah tipe ball valve dengan diameter lubang bolanya sama
dengan diameter pipa. Jenis full bore ball valves biasanya digunakan pada blow
down, piggable line, production manifold, pipeline dll.
b. Reduced bore ball valves

Gambar 2.28 Reduce Bore Ball Valves
Reduced bore ball valves adalah jenis ball valve yang diameter lubang bolanya
tidak seukuran dengan ukuran pipa. Minimum diameter bola katup yang
berkurang adalah satu ukuran lebih rendah dari ukuran diameter pipa sebenarnya.
Misalnya ukuran diameter pipa 4 inci dan diameter bola valve adalah 3 inchi.

Universitas Sumatera Utara

31

2.8.4. Butterfly Valve
Butterfly Valve adalah valve yang dapat digunakan untuk mengisolasi atau
mengatur aliran. Mekanisme penutupan mengambil bentuk sebuah disk . system
pengoperasiannya mirip dengan ball valve, yang memungkinkan cepat untuk
menutup. Butterfly Valve umumnya disukai karena harganya lebih murah di
banding valve jenis lainnya. desain valvenya lebih ringan dalam berat dibanding
jenis-jenis valve yang lain. Biaya pemeliharaan biasanya pun lebih rendah karena
jumlah bagian yang bergerak minim.
Sebuah butterfly valve, diilustrasikan pada Gambar di bawah ini, adalah gerakan
valve berputar yang digunakan untuk berhenti, mengatur, dan mulai aliran fluida.
Butterfly Valve mudah dan cepat untuk dioperasikan karena rotasi 90o yang
digerakkan oleh handwheel dengan menggerakkan disk dari tertutup penuh ke
posisi terbuka penuh

Gambar 2.29 Butterfly Valve(6)
Butterfly Valve sangat cocok untuk penanganan arus besar cairan atau gas pada
tekanan yang relatif rendah dan untuk penanganan slurries atau cairan padatan
tersuspensi dengan jumlah besar.
2.8.5. Check Valve
Check valve adalah alat yang digunakan untuk membuat aliran fluida hanya
mengalir ke satu arah saja atau agar tidak terjadi reversed flow/back flow.

Universitas Sumatera Utara

32

Aplikasi valve jenis ini dapat dijumpai pada outlet/discharge dari centrifugal
pump.
Ketika laju aliran fluida sesuai dengan arahnya, laju aliran tersebut akanmembuat
plug atau disk membuka. Jika ada tekanan yang datang dari arahberlawanan, maka
plug atau disk tersebut akan menutup.
Jenis-jenis check valve :
a. Swing Check Valve

Gambar 2.30 Swing Check Valve[6]

check valve tipe ini terdiri atas sebuah disk seukuran dengan pipa yang
digunakan, dan dirancang menggantung pada poros (hinge pin) di bagian atasnya.
Apabila terjadi aliran maju atau foward flow, maka disk akan terdorog oleh
tekanan sehingga terbuka dan fluda dapat mengalir menuju saluran outlet.
Sedangkan apabila terjadi aliran balik atau reverse flow, tekanan fluida akan
mendorong disk menutup rapat sehingga tidak ada fluida yang mengalir. Semakin
tinggi tekanan balik semakin rapat disk terpasang pada dudukannya.

Universitas Sumatera Utara

33

b. Lift Check Valve

Gambar 2.31 Lift Check Valve[9]
Penggunaan untuk fluida steam, gas, maupun liquid yang mempunyai flow yang
tinggi dalam konfigurasinya mirip dengan globe valve hanya saja pada globe
valve putaran disk atau valve dapat dimanipulasi sedangkan pada lift check valve
tidak (karena globe valve adalah jenis valve putar dan control valve).
Port inlet dan outlet dipisahkan oleh sebuah plug berbentuk kerucut yang terletak
pada sebuah dudukan, umumnya berbahan logam. Ketika terjadi foward flow,
plug akan terdorong oleh tekanan cairan sehingga lepas dari dudukannya dan
fluida akan mengalir ke saluran outlet. Sedangkan apabila terjadi reverse flow,
tekanan fluda justru akan menempatkan plug pada dudukannya, semakin besar
tekanan semakin rapat pula posisi plug pada dudukannya, sehingga fluida tidak
dapat mengalir.
bahan dari dudukan plug adalah logam, hal ini mempertimbangkan tingkat
kebocoran yang sangat sedikit dari check valve tersebut. Umumnya lift check
valve digunakan untuk aplikasi fluida gas karena tingkat kebocoran yang kecil.
Penggunaan check valve tipe lift ini di industri adalah untuk mencegah aliran
balik condensate ke steam trap yang dapat menyebabkan terjadinya korosi pada
turbin uap. Keuntungan menggunakan lift check valve adalah terletak pada
kesederhanaan desain dan membutuhkan sedikit pemeliharaan. Kelemahannya
adalah instalasi dari check valve jenis lift hanya cocok untuk pipa horisontal
dengan diameter yang besar.

Universitas Sumatera Utara

34

c. Back water check valve
Back water valve, banyak digunakan pada sistem pembuangan air bawah tanah
yang mencegah terjadinya aliran balik dari saluran pembuangan saat terjadi banjir.
Saat banjir saluran pembuangan akan penuh dan bertekanan tinggi sehingga
memungkinkan terjadinya aliran balik, dengan menggunakan back water valve,
hal ini dapat diatasi dengan baik.
d. Swing Type Wafer Check Valve

Gambar 2.32 Swing Type Wafer Check Valve[6]
Dalam penggunaan swing check valve dan lift check valve terbatasi hanya untuk
pipa ukuran besar (diameter DN80 atau lebih). jadi sebagai solusinya adalah
dengan menggunakan wafer check valve. Dengan menggunakan wafer ceck valve
dapat digunakan tubing dengan ukuran yang mengerucut pada satu sisinya
sehingga dapat diaplikasikan pada pipa yang lebih kecil ukurannya.
e. Disk Check valve

Gambar 2.33 Disk Check Valve[9]

Universitas Sumatera Utara

35

valve jenis ini terdiri atas body, spring, spring retainer dan disc. Prinsip kerjanya
adalah saat terjadi foward flow, maka disk akan didorong oleh tekanan fluida dan
mendorong spring sehingga ada celah yang menyebabkan aliran fluida dari inlet
menuju outlet. Sebaliknya apabila terjadi reverse flow, tekanan fluida akan
mendorong disk sehingga menutup aliran fluida
perbedaan tekanan diperlukan untuk membuka dan menutup valve jenis ini dan ini
ditentukan oleh jenis spring yang digunakan. Selain spring standar, tersedia juga
beberapa pilihan spring yang tersedia:
•

No spring – Digunakan di mana perbedaan tekanan di valve kecil.

•

Nimonic spring – Digunakan dalam aplikasi suhu tinggi.

•

Heavy duty spring – Hal ini meningkatkan tekanan pembukaan yang
diperlukan. Bila dipasang pada line boiler water feed, dapat digunakan untuk
mencegah uap boiler dari kebanjiran ketika mereka unpressurised.
f. Split disc check valve

Gambar 2.34 Split Disc Check Valve[9]
check valve jenis ini adalah terdiri dari disk yang bagian tengahnya merupakan
poros yang memungkinkan disk bergerak seolah terbagi dua bila didorong dari
arah yang benar (foward flow) dan menutup rapat bila ditekan dari arah yang
salah (reverse flow).

2.8.6. Safety Valve
Safety valve adalah jenis valve yang mekanismenya secara otomatis melepaskan
zat dari boiler, Bejana tekan, atau suatu sistem, ketika tekanan atau temperatur
melebihi batas yang telah ditetapkan.
Katup pengaman pertama kali digunakan pada ketel uap selama Revolusi industri

Universitas Sumatera Utara

36

Cara kerja Pressure Safety Valve :
Pressure savety valve mempunyai tiga bagian utama yaitu inlet, outlet dan spring
set. Fluida bertekanan berada pada inlet PSV. PSV posisi menutup selama tekanan
fluida lebih kecil dibandingkan tekanan spring pada spring set. Sebaliknya jika
tekanan fluida lebih tinggi dibandingkan tekanan spring set maka springset akan
bergerak naik dan membuka katup yang akan membuang tekanan melalui outlet
sampai tekanan fluida maksimal sama dengan tekanan spring set

Gambar 2.36 Safety Valve PSV [9]
2.9 Pompa Submersible

Pengertian pompa secara sederhana sesuai dengan fungsinya adalah alat
untuk mentransport fluida. Fungsi yang lainnya adalah untuk mensirkulasi fluida
ke sistem dan mengubah energi mekanik menjadi energy fluida.

Pompa Submersible
Pompa Submersible merupakan salah satu jenis khusus dari pompa
sentrifugal. Pompa jenis ini dioperasikan dalam kondisi terbenam. Dimana motor
listrik terpasang langsung pada rumah pompa (direct coupled) dan merupakan
suatu kontruksi yang terpadu.Ada 3 metode dalam pemasangan pompa yaitu
secara tunggal, seri dan parallel. Pemasangan pompa yang menghindari kerugian
dalam pengoperasiannya adalah pemasangan pompa secara parallel. Pemasangan

Universitas Sumatera Utara

37

parallel dilakukan karena memungkinkan pemakaian beberapa pompa dalam satu
sistem dihidupkan dan dimatikan sesuai kebutuhan untuk memenuhi variasi
permintaan.

Pada

umumnya

pada]

pemasangan

pompa

secara

pararel

dipergunakan pompa yang type, jenis ukuran dan data teknis yang sama.

Kinerja Pompa Submersible
Kerja yang ditunjukkan oleh sebuah pompa merupakan fungsi dari Head total dan
berat cairan yang dipompa dalam jangka waktu yang diberikan. Daya pompa (Pw)
adalah energy yang secara efektif diterima oleh air dari pompa per satuan waktu,
dan dapat dihitung sebagai berikut:

Dimana:

K=koefisien kesalahan perancangan =1,1-1,2
N=efisiensi pompa
P=daya pompa(watt)
Q=debit aliran

Universitas Sumatera Utara